Interprétation du potentiel chimique
À ce stade, nous pouvons donner un début d'interprétation au concept de potentiel chimique[1], à partir des situations où nous avons vu son utilité :
Transfert entre phases
Lorsque des molécules d'une l'espèce sont présentes dans une phase, et qu'on leur donne la possibilité de passer dans une autre phase sans réaction chimique, le transfert aura lieu :
d'une part en vertu de la « tendance à la dispersion » énoncée par le second principe. Ce phénomène n'est pas lié à des interactions physiques (on l'observe au sein de gaz parfaits) mais est tout simplement de nature probabiliste : un état macroscopique mélangé est bien plus probable qu'un état macroscopique ségrégé ;
d'autre part, sous l'effet d'interactions spécifiques entre les molécules, qui peuvent être selon la nature des espèces chimiques en jeu, plutôt attractives ou plutôt répulsives.
Le potentiel chimique[1] tient compte de ces deux effets, et c'est la différence de potentiel chimique[1] qui oriente le sens du transfert.
Remarque :
On notera l'analogie forte avec les situations bien connues :
une différence d'énergie potentielle de pesanteur entre deux vases communicants, qui va provoquer un transfert global de matière vers le vase où l'énergie potentielle est la plus faible (le plus bas), jusqu'à équilibrer les niveaux ;
une différence de pression entre deux points d'un fluide va provoquer un écoulement de ce fluide vers le point où la pression est la plus faible, tant que les pressions ne seront pas équilibrées ;
une différence de température entre deux objets va provoquer un transfert de chaleur vers le corps le plus froid, jusqu'à homogénéisation des températures ;
Le déplacement de charges électriques sous l'effet d'une différence de potentiel électrique...
Réaction chimique
Lorsqu'une réaction chimique peut avoir lieu, on note que celle ci se fait dans le sens où la somme des potentiels chimiques des produits (somme pondérée par les coefficients stœchiométriques) est inférieure à la somme des potentiels chimiques des réactifs : on pourrait dire, de façon un peu imagée et approximative, que la réaction se fait « dans le sens de la diminution des potentiels chimiques ». Cela nous montre qu'outre les contributions citées plus haut liées à la dispersion et aux interactions physiques, le potentiel chimique[1] tient compte aussi de la stabilité de chaque espèce vis à vis de réactions chimiques.
Fondamental :
Le concept de potentiel chimique recouvre macroscopiquement tous ces effets, en une valeur numérique qui représente la « tendance » qu'aura une espèce à migrer du milieu où elle se trouve vers un autre milieu, si son potentiel chimique[1] y est plus faible, ainsi que la tendance qu'aura cette espèce à réagir avec éventuellement d'autres réactifs pour former des produits dont la somme (pondérée) des potentiels chimiques sera plus faible. Il mesure en quelque sorte « l'instabilité » d'une espèce chimique dans un environnement donné, tant vis à vis du transfert de matière que de réactions chimiques.
Il faut bien sûr noter que le potentiel chimique est toujours défini à une constante additive près, et que sa valeur numérique n'a pas de signification physique en soi : c'est toujours la différence de potentiel chimique[1] (ou de somme pondérée de potentiels chimiques) entre deux états qu'il faut prendre en compte.
Le vrai défi pour l'ingénieur, qui doit mettre en œuvre des équilibres entre phases ou des équilibres chimiques dans le cadre de procédés, est de savoir calculer le potentiel chimique[1] d'un constituant dans un mélange quelconque.